VII. CHẤT RẮN VÀ CHẤT LỎNG SỰ CHUYỂN THỂ
1. Chất rắn kết tinh Chất rắn vô định hình
+ Chất rắn kết tinh có cấu trúc tinh thể, do đó có dạng hình học và nhiệt độ nóng chảy xác định. Tinh thể là cấu trúc bởi các hạt (nguyên tử, phân tử, ion) liên kết chặt với nhau bằng những lực tương tác và sắp xếp theo một trật tự hình học không gian xác định gọi là mạng tinh thể, trong đó mỗi hạt luôn luôn dao động nhiệt quanh vị trí cân bằng của nó.
+ Chất rắn kết tinh có thể là chất đơn tinh thể hoặc chất đa tinh thể. Chất rắn kết tinh có tính dị hướng, còn chất rắn đa tinh thể có tính đẵng hướng.
+ Chất rắn vô định hình không có cấu trúc tinh thể, do đó không có dạng hình học xác định, không có nhiệt độ nóng chảy (hoặc đông đặc) xác định và có tính đẵng hướng.
2. Sự nở vì nhiệt của vật rắn.
+ Sự nở vì nhiệt của vật rắn là sự tăng kích thước của vật rắn khi nhiệt độ tăng do bị nung nóng.
+ Độ nở dài của vật rắn tỉ lệ thuận với độ tăng nhiệt độ ∆t và độ dài ban đầu l0 của vật đó: ∆l = l – l0 = αl0∆t.
+ Độ nở khối của vật rắn tỉ lệ thuận với độ tăng nhiệt độ ∆t và thể tích ban đầu V0 của vật đó: ∆V = V – V0 = βV0∆t ; với β ≈ 3α.
3. Các hiện tượng bề mặt của chất lỏng
+ Lực căng bề mặt tác dụng lên một đoạn đường nhỏ bất kì trên bề mặt chất lỏng luôn có phương vuông góc với đoạn đương này và tiếp tuyến với bề mặt chất lỏng, có chiều làm giảm diện tích bề mặt chất lỏng và có độ lớn f tỉ lệ thuận với độ dài l của đoạn đường đó: f = σl.
σ là hệ số căng bề mặt (suất căng bề mặt), đơn vị N/m. Giá trị của σ phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất và nhiệt độ của chất lỏng: σ giảm khi nhiệt độ tăng.
+ Bề mặt chất lỏng ở sát thành bình chứa nó có dạng mặt khum lỏm khi thành bình bị dính ướt và có dạng mặt khum lồi khi thành bình không bị dính ướt.
+ Hiện tượng mức chất lỏng trong các ống có đường kính nhỏ luôn dâng cao hơn, hoặc hạ thấp hơn so với bề mặt chất lỏng ở bên ngoài ống gọi là hiện tượng mao dẫn. Các ống nhỏ trong đó xảy ra hiện tượng mao dẫn gọi là ống mao dẫn.
4. Sự chuyển thể của các chất
+ Quá trình chuyển từ thể rắn sang thể lỏng gọi là sự nóng chảy. Quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể rắn gọi là sự đông đặc.
+ Chất rắn kết tinh (ứng với một cấu trúc tinh thể) có nhiệt độ nóng chảy không đổi xác định ở mỗi áp suất cho trước. Các chất rắn vô định hình không có nhiệt độ nóng chảy xác định.
+ Nhiệt lượng Q cung cấp cho chất rắn trong quá trình nóng chảy gọi là nhiệt nóng chảy: Q = λm; λ là nhiệt nóng chảy riêng; đơn vị J/kg. + Quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể khí (hơi) ở trên bề mặt chất lỏng gọi là sự bay hơi. Quá trình chuyển từ thể khí sang thể lỏng gọi là sự ngưng tụ. Sự bay hơi xảy ra ở nhiệt độ bất kỳ và luôn kèm theo sự ngưng tụ.
Khi tốc độ bay hơi lớn hơn tốc độ ngưng tụ, áp suất hơi tăng dần và hơi ở phía trên bề mặt chất lỏng là hơi khô. Hơi khô tuân theo định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt.
Khi tốc độ bay hơi bằng tốc độ ngưng tụ, hơi ở phía trên bề mặt chất lỏng là hơi bảo hòa có áp suất đạt giá trị cực đại gọi là áp suất hơn bảo hòa. Áp suất hơi bảo hòa không phụ thuộc thể tích và không tuân theo định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt, nó chỉ phụ thuộc vào bản chất và nhiệt độ của chất lỏng.
+ Quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể khí (hơi) xảy ra ở cả bên trong và trên bề mặt chất lỏng gọi là sự sôi.
Mỗi chất lỏng sôi ở nhiệt độ xác định và không đổi.
Nhiệt độ sôi của chất lỏng phụ thuộc vào áp suất khí ở trên bề mặt của chất lỏng. Áp suất khí càng lớn, nhiệt độ sôi của chất lỏng càng cao.
+ Nhiệt lượng Q cung cấp cho khối chất lỏng trong khi sôi gọi là nhiệt hóa hơi của khối chất lỏng ở nhiệt độ sôi: Q = Lm; L là nhiệt nhiệt hóa hơi có đơn vị đo là J/kg.
5. Độ ẩm của không khí
+ Độ ẩm tuyệt đối a của không khí là đại lượng đo bằng khối lượng hơi nước (tính ra gam) chứa trong 1 m3 không khí.
+ Độ ẩm cực đại A là độ ẩm tuyệt đối của không khí chứa hơi nước bảo hòa, giá trị của nó tăng theo nhiệt độ.
Đơn vị của độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm cực đại là g/m3.
+ Độ ẩm tỉ đối f của không khí là đại lượng đo bằng tỉ số phần trăm giữa độ ẩm tuyệt đối a và độ ẩm cực đại A của không khí ở cùng một nhiệt độ: f =
A a
Độ ẩm tỉ đối f cũng có thể tính gần đúng bằng tỉ số phần trăm giữa áp suất riêng phần p của hơi nước và áp suất pbh của hơi nước bảo hòa trong không khí ở cùng một nhiệt độ: f ≈
bh
p p
.100%. Không khí càng ẩm thì độ ẩm tỉ đối của nó càng cao. + Có thể đô độ ẩm của không khí bằng các loại ẩm kế.
B. CÁC DẠNG BÀI TẬP
1. Sự nở vì nhiệt của vật rắn * Các công thức
+ Độ nở dài của vật rắn: ∆l = l – l0 = αl0∆t.
+ Độ nở diện tích của vật rắn: ∆S = S – S0 = 2αS0∆t
+ Độ nở khối của vật rắn: ∆V = V – V0 = βV0∆t; với β ≈ 3α.
* Phương pháp giải
Để tìm những đại lượng có liên quan đến sự nở vì nhiệt của của vật rắn ta viết biểu thức liên hệ giữa những đại lượng đã biết và đại lượng cần tìm từ đó suy ra và tính đại lượng cần tìm.
* Bài tập
1. Một dây tải điện ở 20 0C có độ dài 1800 m. Xác định độ nở dài của dây tải điện này khi nhiệt độ tăng lên đến 40 0C về mùa hè. Biết hệ số nở dài của dây tải điện là 11,5.10-6 K-1.
2. Một thanh kim loại có chiều dài 20 m ở nhiệt độ 20 0C, có chiều dài 20,015 m ở nhiệt độ 45 0C. Tính hệ số nở dài của thanh kim loại.
3. Mỗi thanh ray của đường sắt ở nhiệt độ 15 0C có độ dài 12,5 m. Nếu hai đầu các thanh ray khi đó chỉ đặt cách nhau 4,5 mm, thì các thanh ray này có thể chịu được nhiệt độ lớn nhất bằng bao nhiêu để chúng không bị uốn cong do tác dụng nở vì nhiệt? Biết hệ số nở dài của mỗi thanh ray là 12.10-6 K-1.
4. Ở nhiệt độ 0 0C tổng chiều dài của thanh đồng và thanh sắt là 5 m. Hiệu chiều dài của chúng ở cùng nhiệt độ bất kỳ nào cũng không đổi. Tìm chiều dài của mỗi thanh ở 0 0C. Biết hệ số nở dài của đồng là 18.10-6 K-1, của sắt là 12.10-6 K-1.
5. Tìm nhiệt độ của tấm nhôm phẵng, biết rằng diện tích của nó đã
tăng thêm 900 mm2 do nung nóng. Cho biết diện tích của tấm nhôm ở 0 0C là 1,5 m2, hệ số nở dài của nhôm là 24.10-6 K-1.
6. Ở 0 0C, thanh nhôm và thanh sắt có tiết diện ngang bằng nhau, có chiều dài lần lượt là 80 cm và 80,5 cm. Hỏi ở nhiệt độ nào thì chúng có chiều dài bằng nhau và ở nhiệt độ nào thì chúng có thể tích bằng nhau. Biết hệ số nở dài của nhôm là 24.10-6 K-1, của sắt là 14.10-6 K-1.
7. Một bể bằng bê tông có dung tích là 2 m3 ở 0 0C. Khi ở 30 0C thì dung tích của nó tăng thêm 2,16 lít. Tính hệ số nở dài của bê tông.
* Hướng dẫn giải
1. Độ nở dài của dây tải điện: ∆l = αl0∆t = 0,414 m = 41,4 cm. 2. Hệ số nở dài của thanh kim loại: α = ll−∆lt
0 0 = 3.10-5 K-1. 3. Ta có: ∆t = 0 l l α ∆
= 30 Nhiệt độ lớn nhất mà thanh ray không bị uốn cong do tác dụng nở vì nhiệt là ∆t + t0 = 45 0C.
4. Chiều dài của mỗi thanh ở t 0C: ld = l0d + l0dαdt; ls = l0s + l0sαst. Hiệu chiều dài của chúng: ld – ls = l0d + l0dαdt – l0s – l0sαst. Vì hiệu chiều dài như nhau ở mọi nhiệt độ nên: ld – ls = l0d – l0s
(l0dαd – l0sαs)t = 0 l0dαd – l0sαs = l0dαd – (l0 – l0d)αs = 0 l0d = s d s l α α α + 0 = 2 m; l0s = l0 – l0d = 3 m.
5. Nhiệt độ của tấm nhôm: t =
0 2 S S α ∆ = 1250 0C.
6. Nhiệt độ để chiều dài của chúng bằng nhau:
l0nh(1 + αnht) = l0s(1 + αst) t = s s nh nh nh s l l l l α α 0 0 0 0 − − = 630 0C. Nhiệt độ để thể tích của chúng bằng nhau:
S0l0nh(1 + 3αnht) = S0l0s(1 + 3αst) t = s s nh nh nh s l l l l α α 3 3 0 0 0 0 − − = 210 0C. 7. Hệ số nở dài của bê tông:
∆V = 3αV0∆t α = V∆V∆t 0
3 = 12.10-6 K-1.
2. Lực căng bề mặt của chất lỏng * Công thức
Lực căng mặt ngoài: f = σl. Với σ (N/m) là hệ số căng mặt ngoài; l là đường giới hạn mặt ngoài. Trường hợp một khung dây mãnh hoặc một thanh mãnh có chu vi l nhúng vào trong chất lỏng thì nó sẽ chịu tác dụng một lực căng mặt ngoài là f = σ2l vì lực căng mặt ngoài tác dụng vào cả hai phía của khung hoặc thanh.
* Phương pháp giải
Để tìm những đại lượng có liên quan đến lực căng bề mặt ta viết biểu thức liên hệ giữa những đại lượng đã biết và đại lượng cần tìm từ đó suy ra và tính đại lượng cần tìm.
* Bài tập
1. Một vành khuyên mỏng có đường kính 34 mm, đặt nằm ngang và
treo vào đầu dưới của một lò xo để thẳng đứng. Nhúng vành khuyên vào một cốc nước, rồi cầm đầu kia của lò xo và kéo vành khuyên ra khỏi nước, ta thấy lò xo dãn thêm 32 mm. Tính hệ số căng mặt ngoài của nước. Biết lò xo có độ cứng 0,5 N/m.
2. Nhúng một khung hình vuông mỗi cạnh dài 8,75 cm, có khối
lượng 2 g vào trong rượu rồi kéo lên. Tính lực kéo khung lên. Biết hệ số căng mặt ngoài của rượu là 21,4.10-3 N/m.
3. Một vòng xuyến có đường kính ngoài là 44 mm và đường kính
trong là 40 mm. Trọng lượng của vòng xuyến là 45 mN. Lực bứt vòng xuyến này khỏi bề mặt của glixêrin ở 20 0C là 64,3 mN. Tính hệ số căng mặt ngoài của glixêrin ở nhiệt độ này.
4. Một vòng nhôm hình trụ rổng có bán kính trong 3 cm, bán kính
ngoài 3,2 cm, chiều cao 12 cm đặt nằm ngang trong nước. Tính độ lớn lực cần thiết để nâng vòng ra khỏi mặt nước. Biết trọng lượng riêng của nhôm là 28.103 N/m3; suất căng mặt ngoài của nước là 73.10-3 N/m; nước dính ướt nhôm.
5. Để xác định suất căng mặt ngoài của rượu người ta làm như sau:
Cho rượu vào trong bình, chảy ra ngoài theo ống nhỏ giọt thẳng đứng có đường kính 2 mm. Thời gian giọt này rơi sau giọt kia 2 giây. Sau thời gian 780 giây thì có 10 g rượu chảy ra. Tính suất căng mặt ngoài của rượu. Lấy g = 10 m/s2.
6. Một quả cầu có mặt ngoài hoàn toàn không bị dính ướt. Bán kính
quả cầu là 0,2 mm. Suất căng mặt ngoài của nước là 73.10-3 N/m. Bỏ qua lực đẩy Acsimet tác dụng lên quả cầu.
a) Tính lực căng mặt ngoài lớn nhất tác dụng lên quả cầu khi nó đặt trên mặt nước.
b) Quả cầu có trọng lượng bằng bao nhiêu thì nó không bị chìm?
* Hướng dẫn giải
1. Vành khuyên bắt đầu được kéo ra khỏi mặt nước khi lực đàn hồi
bằng lực căng mặt ngoài: Fdh = Fc hay k∆l = σ2πd σ = d l k π 2 ∆ = 74,9.10-3 N/m.
3. Lực kéo vòng xuyến lên: Fk = P + σ.π(d1 + d2) σ = ( ) 2 1 d d P Fk + − π = 73.10-3 N.
4. Lực cần thiết để nâng vòng nhôm lên:
F = P + σ.2π(r1 + r2) = hπ(r2 2 - r2
1)ρ + σ.2π(r1 + r2) = 0,0114 N.
5. Khi trọng lượng của giọt rượu bằng lực căng mặt ngoài tác dụng
lên nó thì giọt rượu rơi xuống nên:
g t t m ∆ = σ.π.d σ = d t t mg π ∆ = 40,8.10-3 N/m. 6. a) Lực căng mặt ngoài lớn nhất: F = σ.2π.r = 9,2.10-5 N. b) Quả cầu không bị chìm khi: P ≤ F = 9,2.10-5 N.
3. Sự chuyển thể của các chất * Các công thức
+ Nhiệt lượng thu vào hay tỏa ra khi vật thay đổi nhiệt độ: Q = cm(t2 – t1).
+ Nhiệt lượng thu vào hay tỏa ra khi nóng chảy hoặc đông đặc: Q = λm; khi nóng chảy: thu nhiệt; đông đặc: tỏa nhiệt. + Nhiệt lượng tỏa ra hoặc thu vào khi hóa hơi hay ngưng tụ:
Q = Lm; khi hóa hơi: thu nhiệt; ngưng tụ: tỏa nhiệt.
* Phương pháp giải
Để tìm những đại lượng có liên quan đến sự thay đổi nhiệt độ của vật và sự chuyển thể của các chất ta viết biểu thức liên hệ giữa các đại lượng đã biết và đại lượng cần tìm rồi suy ra và tính đại lượng cần tìm.
* Bài tập
1. Tính nhiệt lượng cần cung cấp cho 4 kg nước đá ở 0 0C để chuyển nó thành nước ở 20 0C. Biết nhiệt nóng chảy của nước đá là 34.104 J/kg và nhiệt dung riêng của nước là 4180 J/kg.K.
2. Tính nhiệt lượng cần cung cấp cho miếng nhôm khối lượng 100 g
ở nhiệt độ 20 0C, để nó hóa lỏng hoàn toàn ở nhiệt độ 658 0C. Biết nhôm có nhiệt dung riêng 896 J/kg.K và nhiệt nóng chảy 39.104 J/kg.
3. Thả một cục nước đá có khối lượng 30 g ở 0 0C vào cốc nước chứa 200 g nước ở 20 0C. Tính nhiệt độ cuối của cốc nước. Bỏ qua nhiệt dung của cốc. Cho biết nhiệt dung riêng của nước là 4,2 J/g.K, nhiệt nóng chảy của nước đá là 334 J/g.
4. Để xác định nhiệt nóng chảy của thiếc, người ta đổ 350 g thiếc
nhiệt lượng kế có nhiệt dung bằng 100 J/K. Sau khi cân bằng nhiệt, nhiệt độ của nước trong nhiệt lượng kế là 32 0C. Tính nhiệt nóng chảy của thiếc. Biết nhiệt dung riêng của nước là 4,2 J/g.K, của thiếc rắn là 0,23 J/g.K.
5. Cần cung cấp một nhiệt lượng bằng bao nhiêu để làm cho 200 g
nước lấy ở 10 0C sôi ở 100 0C và 10% khối lượng của nó đã hóa hơi khi sôi. Biết nhiệt dung riêng của nước là 4190 J/kg.K và nhiệt hóa hơi của nước là 2,26.106 J/kg.
6. Đổ 1,5 lít nước ở 20 0C vào một ấm nhôm có khối lượng 600 g và sau đó đun bằng bếp điện. Sau 35 phút thì đã có 20% khối lượng nước đã hóa hơi ở nhiệt độ sôi 100 0C. Tính công suất cung cấp nhiệt của bếp điện, biết rằng 75% nhiệt lượng mà bếp cung cấp được dùng vào việc đun nước. Cho biết nhiệt dung riêng của nước là 4190 J/kg.K, của nhôm là 880 J/kg.K, nhiệt hóa hơi của nước ở 100 0C là 2,26.106 J/kg, khối lượng riêng của nước là 1 kg/lít.
* Hướng dẫn giải
1. Nhiệt lượng cần cung cấp: Q = λm + cm(t2 – t1) = 1694400 J. 2. Nhiệt lượng cần cung cấp: Q = cm(t2 – t1) + λm = 96165 J. 3. Phương trình cân bằng nhiệt:
cm2(t2 – t) = λm1 + cm1t t = ( ) 1 2 1 2 2 m m c m t cm + −λ = 7 0C.
4. Phương trình cân bằng nhiệt:
λmth + cthmth(t2 – t) = cnmn(t – t1) + Cnlk(t – t1) λ = th th th nlk n n m